Nghịch lý thông tin lỗ đen nảy sinh vì Stephen Hawking chứng minh lỗ đen phát ra bức xạ và có thể bốc hơi hết, mà bức xạ ấy, theo tính toán ban đầu, hoàn toàn ngẫu nhiên, không mang thông tin gì về những thứ đã rơi vào. Nhưng cơ học lượng tử khẳng định thông tin không bao giờ mất hẳn. Một trong hai phải nhượng bộ.
Chào bạn, đây là Nhà Học Thuật. Đây là cuộc tranh luận kéo dài gần năm mươi năm, có cả một vụ cá cược nổi tiếng và một lần nhận thua công khai. Tập này mình kể vì sao một câu hỏi về vật thể xa xôi lại chạm vào nền móng của vật lý.
Lỗ đen có nhiệt độ
Theo thuyết tương đối rộng, lỗ đen là vùng không thời gian mà không gì thoát ra được, kể cả ánh sáng. Ranh giới của nó gọi là chân trời sự kiện. Ban đầu, người ta nghĩ lỗ đen chỉ nuốt mà không nhả gì.
Đầu thập niên bảy mươi, nghiên cứu sinh Jacob Bekenstein đề xuất rằng lỗ đen phải có entropy, tỷ lệ với diện tích chân trời sự kiện. Nếu không, ném một hộp khí nóng vào lỗ đen sẽ làm entropy của vũ trụ giảm, vi phạm định luật thứ hai nhiệt động lực học.
Hawking lúc đầu phản đối, vì một vật có entropy thì phải có nhiệt độ, mà vật có nhiệt độ thì phải phát xạ. Năm một nghìn chín trăm bảy mươi tư, khi cố chứng minh Bekenstein sai bằng cách kết hợp lý thuyết lượng tử với không thời gian cong, Hawking lại phát hiện ra lỗ đen thật sự phát xạ.
Bức xạ Hawking cực kỳ yếu với lỗ đen lớn, nhưng về nguyên tắc, qua một thời gian dài không tưởng, lỗ đen sẽ bốc hơi hoàn toàn.
Vì sao thông tin mất là một vấn đề lớn?
Năm một nghìn chín trăm bảy mươi sáu, Hawking lập luận rằng bức xạ phát ra chỉ phụ thuộc vào khối lượng, điện tích và chuyển động quay của lỗ đen, không phụ thuộc thứ gì đã rơi vào. Một cuốn bách khoa toàn thư và một tảng đá cùng khối lượng rơi vào sẽ cho cùng một bức xạ.
Khi lỗ đen bốc hơi hết, mọi chi tiết về cuốn bách khoa toàn thư biến mất khỏi vũ trụ. Đó là mất thông tin theo nghĩa vật lý.
Trong cơ học lượng tử, sự tiến hoá của mọi hệ có thể đảo ngược về nguyên tắc: biết trạng thái hiện tại đầy đủ, ta tính ngược được trạng thái trước. Đốt một cuốn sách, thông tin vẫn còn trong khói, tro, nhiệt, chỉ là rất khó đọc. Mất thông tin thật sự sẽ phá vỡ nguyên lý này.
Vậy hoặc cơ học lượng tử sai ở chỗ lỗ đen, hoặc tính toán của Hawking bỏ sót điều gì đó.
Vụ cá cược và lời nhận thua
Năm một nghìn chín trăm chín mươi bảy, Hawking và Kip Thorne đặt cược với John Preskill. Hawking và Thorne cược rằng thông tin thật sự mất. Preskill cược rằng nó được bảo toàn. Người thua phải tặng người thắng một bộ bách khoa toàn thư tuỳ chọn, từ đó thông tin có thể lấy ra được dễ dàng.
Cùng năm ấy, Juan Maldacena đưa ra đối ngẫu giữa hấp dẫn và lý thuyết lượng tử trên biên. Trong khung này, lý thuyết trên biên là lượng tử bình thường, không mất thông tin. Nếu đối ngẫu đúng, lỗ đen bên trong cũng không thể làm mất thông tin. Nhiều nhà vật lý chuyển sang tin thông tin được bảo toàn.
Năm hai nghìn không trăm linh bốn, Hawking công khai nhận thua và tặng Preskill một cuốn bách khoa toàn thư về bóng chày. Thorne thì chưa nhận thua.
Nhưng nhận thua chưa phải là giải được. Câu hỏi thông tin thoát ra bằng cách nào vẫn còn đó.
Đường cong Page và bức tường lửa
Đầu thập niên chín mươi, nhà vật lý Don Page chỉ ra rằng nếu thông tin được bảo toàn, entropy của bức xạ phải tăng lúc đầu, rồi giảm dần về không khi lỗ đen bốc hơi hết. Đồ thị lên rồi xuống ấy gọi là đường cong Page. Tính toán của Hawking chỉ cho phần đi lên, không bao giờ xuống.
Năm hai nghìn không trăm mười hai, một nhóm bốn nhà vật lý đưa ra một nghịch lý mới sắc hơn. Nếu thông tin thoát ra và mọi nguyên lý quen thuộc đều đúng, thì ở chân trời sự kiện phải có một bức tường lửa năng lượng cao thiêu cháy bất cứ ai rơi vào, trái với thuyết tương đối vốn nói người rơi vào không cảm thấy gì đặc biệt ở chân trời.
Nghịch lý bức tường lửa buộc các nhà vật lý xem lại những giả định tưởng chắc chắn nhất, và sinh ra những đề xuất táo bạo, như ý tưởng rằng rối lượng tử và những đường hầm không thời gian có thể là hai mặt của cùng một thứ.
Không đề xuất nào cho tới nay được chấp nhận rộng rãi.
Những tính toán mới và câu hỏi còn lại
Năm hai nghìn không trăm mười chín, nhiều nhóm nghiên cứu độc lập tìm ra cách tính entropy của bức xạ Hawking, có tính tới những cấu hình hình học mới, gọi là các hòn đảo, nằm bên trong lỗ đen. Kết quả tái tạo đúng đường cong Page, đi lên rồi đi xuống.
Nhiều người coi đây là bước tiến lớn nhất trong nhiều thập niên: lần đầu tiên, tính toán cho thấy thông tin thoát ra, mà không cần một lý thuyết hấp dẫn lượng tử đầy đủ.
Tuy vậy, các tính toán này cho biết thông tin được bảo toàn, chưa cho biết rõ cơ chế từng bit thông tin thoát ra ra sao. Giới chuyên môn còn bàn cãi cách hiểu đúng của chúng, và chúng chủ yếu được làm trong những mô hình đơn giản hoá.
Nghịch lý thông tin lỗ đen là một phòng thí nghiệm tư duy nơi tương đối và lượng tử buộc phải gặp nhau. Có lẽ khi nó được giải trọn, ta cũng sẽ hiểu không gian và thời gian thật ra được dệt từ gì.
Câu hỏi thường gặp
Bức xạ Hawking đã được quan sát chưa?
Chưa. Với lỗ đen có khối lượng cỡ sao, bức xạ Hawking yếu hơn rất nhiều so với bức xạ nền vũ trụ. Một số thí nghiệm mô phỏng trong phòng thí nghiệm bằng chất lỏng hoặc ánh sáng cho thấy hiệu ứng tương tự.
Lỗ đen bốc hơi mất bao lâu?
Với lỗ đen khối lượng cỡ Mặt Trời, thời gian bốc hơi dài hơn tuổi hiện tại của vũ trụ gấp vô số lần. Lỗ đen càng nhỏ bốc hơi càng nhanh.
Thông tin theo nghĩa vật lý là gì?
Đó là toàn bộ chi tiết cần để mô tả chính xác trạng thái của một hệ. Nguyên lý bảo toàn thông tin nói rằng về nguyên tắc, từ trạng thái hiện tại luôn suy ngược được trạng thái quá khứ.
Chân trời sự kiện có phải là một bề mặt vật chất không?
Không. Theo thuyết tương đối, đó chỉ là một ranh giới không quay lại được. Một người rơi qua chân trời của lỗ đen lớn không cảm thấy gì đặc biệt tại đó, và chính điều này bị nghịch lý bức tường lửa thách thức.
Stephen Hawking còn đóng góp gì khác?
Cùng Roger Penrose, ông chứng minh những định lý về điểm kỳ dị trong thuyết tương đối rộng. Ông cũng nổi tiếng với các sách phổ biến khoa học và tinh thần làm việc phi thường dù mắc bệnh thần kinh vận động suốt nhiều thập niên.
